日本“超低軌道技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星”任務(wù)及應(yīng)用

何慧東（北京空間科技信息研究所）

2017年12月23日，日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）研制的“超低軌道技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星”（SLATS）搭乘H－2A運(yùn)載火箭從種子島航天中心發(fā)射升空，該衛(wèi)星是世界首顆具有變軌能力的超低軌道衛(wèi)星，將在軌驗(yàn)證超低軌道高度保持、高分辨率對(duì)地觀測(cè)等一系列關(guān)鍵技術(shù)。超低軌道衛(wèi)星技術(shù)能夠迅速增強(qiáng)戰(zhàn)場(chǎng)信息獲取能力，軍事應(yīng)用潛力巨大。

1 任務(wù)概況

衛(wèi)星基本情況

日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)于2017年12月23日發(fā)射了SLATS衛(wèi)星，該衛(wèi)星將部署在高180～268km的軌道，用于驗(yàn)證超低軌道高度保持技術(shù)，并利用小型光學(xué)遙感器開(kāi)展高分辨率對(duì)地觀測(cè)，同時(shí)開(kāi)展大氣低熱層探測(cè)，獲取大氣密度、原子氧密度等數(shù)據(jù)，研究原子氧對(duì)材料性能惡化的影響，為未來(lái)發(fā)展超低軌道衛(wèi)星系統(tǒng)提供工程驗(yàn)證。

SLATS衛(wèi)星由日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、研制、發(fā)射和運(yùn)管，三菱電機(jī)公司是衛(wèi)星主承包商，負(fù)責(zé)與設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)和供貨商的溝通和協(xié)調(diào)。衛(wèi)星項(xiàng)目總經(jīng)費(fèi)34.15億日元（合3138萬(wàn)美元），其中研制經(jīng)費(fèi)26億日元（合2389萬(wàn)美元）。

SLATS衛(wèi)星由平臺(tái)和有效載荷兩大部分組成。衛(wèi)星展開(kāi)尺寸2.5m×5.2m×0.9m，星體呈長(zhǎng)條形，有利于減小超低軌道運(yùn)行階段的阻力，同時(shí)使用了大太陽(yáng)電池翼，通過(guò)調(diào)整姿態(tài)可改變橫截面積，調(diào)節(jié)飛行阻力，輔助進(jìn)行軌道轉(zhuǎn)移。SLATS衛(wèi)星整星質(zhì)量400kg，功率大于1140W，設(shè)計(jì)壽命2年；采用三軸穩(wěn)定控制，衛(wèi)星控制器（SCU）集遙測(cè)/遙控、姿態(tài)/軌道控制、數(shù)據(jù)記錄和熱控等功能于一體；推進(jìn)系統(tǒng)使用化學(xué)推進(jìn)分系統(tǒng)（RCS）執(zhí)行變軌任務(wù)，使用氙離子發(fā)動(dòng)機(jī)（IES）執(zhí)行超低軌道高度保持任務(wù)。

SLATS衛(wèi)星搭載了3套有效載荷：氙離子發(fā)動(dòng)機(jī)主要用于超低軌道高度保持和軌道機(jī)動(dòng)；小型高分辨率光學(xué)遙感器（SHIROP）用于高分辨率對(duì)地成像；原子氧監(jiān)控系統(tǒng)（AMO）包括原子氧測(cè)量遙感器（AOF）和材料性能惡化監(jiān)控器（SMDM），分別用于在軌實(shí)時(shí)測(cè)量原子氧分布，以及監(jiān)控原子氧作用下13種材料的性能變化。

任務(wù)基本情況

SLATS衛(wèi)星任務(wù)為期2年，包括以下5個(gè)實(shí)施階段。

SLATS衛(wèi)星結(jié)構(gòu)圖

SLATS衛(wèi)星系統(tǒng)組成

1）發(fā)射階段。利用H—2A運(yùn)載火箭執(zhí)行“一箭雙星”發(fā)射任務(wù)，首先將“全球變化觀測(cè)任務(wù)—碳循環(huán)”（GCOM-C）衛(wèi)星發(fā)射進(jìn)入高798km的太陽(yáng)同步軌道；隨后火箭再次點(diǎn)火降低軌道，將SLATS衛(wèi)星送入高530km的太陽(yáng)同步軌道。

2）初始軌道控制階段。SLATS衛(wèi)星入軌后進(jìn)行初始軌道高度控制，利用化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)在約1個(gè)月時(shí)間內(nèi)將衛(wèi)星軌道高度降至408km。

3）軌道轉(zhuǎn)移階段。通過(guò)調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)增加大氣阻力，利用約1年時(shí)間將衛(wèi)星緩慢轉(zhuǎn)移至268km的超低軌道。

4）超低軌道運(yùn)行階段。衛(wèi)星利用氙離子發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行超低軌道高度保持，分別在268km（運(yùn)行31天）、250km（運(yùn)行7天）、240km（運(yùn)行7天）、230km（運(yùn)行7天）、220km（運(yùn)行31天）和180km（運(yùn)行7天）的軌道驗(yàn)證軌道高度保持技術(shù)，并開(kāi)展對(duì)地觀測(cè)、空間環(huán)境探測(cè)、材料性能研究等一系列活動(dòng)。

5）后期應(yīng)用階段。超低軌道穩(wěn)定運(yùn)行階段結(jié)束后，衛(wèi)星將進(jìn)行為期180天的后期應(yīng)用，根據(jù)燃料剩余情況進(jìn)一步開(kāi)展降軌或升軌試驗(yàn)。

通過(guò)實(shí)施SLATS衛(wèi)星任務(wù)，預(yù)期實(shí)現(xiàn)以下三大目標(biāo)。

1）驗(yàn)證超低軌道的軌道保持技術(shù)。200km軌道附近的大氣密度是600～800km太陽(yáng)同步軌道的近1000倍，大氣阻力顯著增大，衛(wèi)星運(yùn)行軌道高度將難以保持。SLATS衛(wèi)星利用高比沖氙離子發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)提供小推力，抵消大氣阻力的作用，并根據(jù)大氣阻力的變化持續(xù)調(diào)節(jié)推力，保證衛(wèi)星在超低軌道長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，軌道高度保持精度優(yōu)于1km。

SLATS衛(wèi)星任務(wù)軌道概況

2）開(kāi)展超低軌道衛(wèi)星高分辨率成像。超低軌道的大氣阻力和離子發(fā)動(dòng)機(jī)的推力將引起衛(wèi)星姿態(tài)擾動(dòng)，造成相機(jī)成像模糊，對(duì)地觀測(cè)性能下降。SLATS衛(wèi)星采用了高精度姿態(tài)控制系統(tǒng)，提升衛(wèi)星指向精度和穩(wěn)定度，降低擾動(dòng)因素對(duì)成像效果的負(fù)面影響。同時(shí)，由于衛(wèi)星運(yùn)行在超低軌道，成像分辨率將顯著提高。

3）獲取環(huán)境數(shù)據(jù)，積累超低軌道衛(wèi)星工程經(jīng)驗(yàn)。超低軌道衛(wèi)星目前仍存在諸多基礎(chǔ)性問(wèn)題尚未解決，大氣環(huán)境數(shù)據(jù)匱乏為任務(wù)帶來(lái)不確定性，軌道附近的原子氧易與衛(wèi)星表面的抗輻射、耐高溫、耐低溫的隔熱材料發(fā)生反應(yīng)，引起材料受損、性能惡化，導(dǎo)致衛(wèi)星故障概率增大。SLATS衛(wèi)星在軌實(shí)時(shí)測(cè)量大氣密度、原子氧密度等數(shù)據(jù)，修正大氣預(yù)測(cè)模型，能夠支持后續(xù)超低軌道衛(wèi)星設(shè)計(jì)和軌道控制，同時(shí)開(kāi)展抗原子氧材料研究和在軌試驗(yàn)，可有效延長(zhǎng)任務(wù)壽命，為未來(lái)超低軌道衛(wèi)星實(shí)際應(yīng)用積累基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和工程經(jīng)驗(yàn)。

2 軍事應(yīng)用潛力分析

以低成本方式實(shí)現(xiàn)高性能偵察

超低軌道通常是指在臨近空間以上，且低于300km高度的軌道。在超低軌道部署衛(wèi)星，能夠大幅縮短成像距離，提升光學(xué)和雷達(dá)成像性能，利用小衛(wèi)星搭載成像載荷即可達(dá)到目前世界領(lǐng)先的成像能力，衛(wèi)星研制和發(fā)射成本也將大幅降低。對(duì)于光學(xué)成像系統(tǒng)，隨著軌道高度降低，衛(wèi)星分辨率提升，當(dāng)衛(wèi)星使用相同的光學(xué)遙感器，運(yùn)行在180km高度軌道的分辨率是在900km軌道的5倍。對(duì)于雷達(dá)成像系統(tǒng)，采用超低軌道設(shè)計(jì)方案可以顯著降低雷達(dá)功耗，提高成像分辨率和綜合觀測(cè)能力，實(shí)現(xiàn)成像載荷的小型化、輕型化。

變軌能力實(shí)現(xiàn)“平時(shí)普查”與“戰(zhàn)時(shí)詳查”應(yīng)用

為滿足全球覆蓋和每日目標(biāo)重訪的偵察需求，偵察衛(wèi)星大多采用三星一組方式部署，同時(shí)要求具備大角度側(cè)擺能力。在單星部署的情況下，衛(wèi)星回歸周期從數(shù)天至數(shù)十天不等，主要執(zhí)行全球普查任務(wù)。268km的太陽(yáng)同步回歸軌道是一條特殊的軌道，可實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星每天過(guò)頂特定地區(qū)，開(kāi)展熱點(diǎn)地區(qū)高頻度詳查任務(wù)，軍事應(yīng)用潛力巨大。以具備多次靈活變軌能力的SLATS衛(wèi)星為例，平時(shí)可運(yùn)行在高320km的太陽(yáng)同步軌道，重訪周期5天，執(zhí)行全球觀測(cè)任務(wù)；戰(zhàn)時(shí)利用大推力的化學(xué)推進(jìn)分系統(tǒng)將衛(wèi)星快速變軌至高268km的太陽(yáng)同步回歸軌道，開(kāi)展熱點(diǎn)地區(qū)每日定點(diǎn)偵察任務(wù)，以“平戰(zhàn)結(jié)合”的方式實(shí)現(xiàn)天基資產(chǎn)高效率利用。

靈活部署開(kāi)展快速響應(yīng)戰(zhàn)術(shù)支持

盡管超低軌道衛(wèi)星具備成像分辨率高、回歸軌道可定點(diǎn)偵察的優(yōu)勢(shì)，但由于大氣阻力大，衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命通常不到半年，大規(guī)模應(yīng)用受到限制。國(guó)外大多數(shù)超低軌道衛(wèi)星在1970年前部署，開(kāi)展短期對(duì)地觀測(cè)、空間科學(xué)、技術(shù)試驗(yàn)任務(wù)，此后長(zhǎng)期發(fā)展緩慢，2000年以后超低軌道衛(wèi)星的代表是俄羅斯的超低軌道光學(xué)偵察衛(wèi)星、歐洲的“重力場(chǎng)與穩(wěn)態(tài)洋流探測(cè)器”（GOCE）等。隨著技術(shù)的進(jìn)步，航天大國(guó)重視發(fā)展快速響應(yīng)空間能力，超低軌道衛(wèi)星快響應(yīng)用潛力巨大，可組批研制超低軌道小衛(wèi)星并地面封存，在緊急情況下快速發(fā)射部署，開(kāi)展短期戰(zhàn)術(shù)支持任務(wù)。對(duì)于具備軌道保持能力的衛(wèi)星，則可在超低軌道開(kāi)展長(zhǎng)期業(yè)務(wù)運(yùn)行，進(jìn)一步提升響應(yīng)速度和實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用能力。

3 結(jié)束語(yǔ)

降低衛(wèi)星運(yùn)行軌道高度是除研發(fā)先進(jìn)成像載荷之外，提升衛(wèi)星成像能力的一個(gè)重要途徑。目前，超低軌道衛(wèi)星技術(shù)尚未成熟，超低軌道小衛(wèi)星平臺(tái)、電推進(jìn)、防護(hù)材料等關(guān)鍵技術(shù)有待突破，提前進(jìn)行技術(shù)儲(chǔ)備，對(duì)實(shí)現(xiàn)超低軌道衛(wèi)星長(zhǎng)期在軌運(yùn)行，成倍提升成像能力具有積極意義。